基于STM32的Mifare IC卡讀寫(xiě)卡器設計

摘要：本文設計了一款符合14443A標準的Mifare IC卡讀寫(xiě)器。系統以STM32F103C8T6為主控芯片，讀寫(xiě)卡芯片采用MFRC522芯片(支持14443A協(xié)議，其頻率為13.56MHz)，采用SPI通訊方式實(shí)現與Mifare IC卡的通訊;利用雙線(xiàn)并繞的方式設計PCB天線(xiàn)，大幅提高了讀寫(xiě)卡器的天線(xiàn)信號強度和生產(chǎn)成品率。上位機軟件基于VC6.0底層代碼編寫(xiě)，方便地實(shí)現了對Mifare IC卡的讀寫(xiě)。

引言

　　Mifare類(lèi)型的非接觸式智能IC卡作為符合14443A標準的IC卡，廣泛應用在電子錢(qián)包、各類(lèi)場(chǎng)所的門(mén)禁系統中。MFRC522作為支持該標準的射頻讀寫(xiě)卡芯片，擁有多種通訊接口(例如UART、SPI、I2C)，可以通過(guò)單片機方便地讀寫(xiě)MFRC522射頻芯片內部的寄存器，配合天線(xiàn)對Mifare IC卡片進(jìn)行讀寫(xiě)。

　　本文設計的讀寫(xiě)卡器以STM32F103C8T6為主控芯片，通過(guò)SPI通訊方式，選用支持14443A協(xié)議的頻率為13.56MHz的讀卡芯片MFRC522與Mifare卡通訊，并利用雙線(xiàn)并繞的方式設計PCB天線(xiàn)，可大幅提高讀寫(xiě)卡器的天線(xiàn)信號強度和生產(chǎn)成品率。配合上位機軟件可以便捷地對Mifare IC卡片進(jìn)行讀寫(xiě)以作為儲值卡、會(huì )員卡和物品管理卡片使用。

1 硬件系統設計

　　本讀寫(xiě)卡器的硬件設計框圖如圖1所示。

　　本設計以STM32F103C8T6為主控芯片，采用USB供電方式，可以通過(guò)虛擬串口進(jìn)行開(kāi)發(fā)調試并且與上位機進(jìn)行通信。主控芯片通過(guò)SPI接口方式與RC522進(jìn)行通訊，RC522則利用電磁感應的原理與無(wú)源Mifare IC卡進(jìn)行數據交換，上位機軟件用于對卡片進(jìn)行配置與讀寫(xiě)操作，同時(shí)STM32驅動(dòng)蜂鳴器和貼片LED發(fā)光二極管以告知用戶(hù)系統運行狀態(tài)。

1.1 相關(guān)芯片及Mifare IC卡片介紹

　　STM32F103C8T6為 ST (意法半導體)公司生產(chǎn)的一款入門(mén)級低功耗32位ARM芯片，擁有64Kb片內Flash，以及包括UART、USB、CAN、SPI、I2C等在內的豐富的硬件接口，結合keil或者IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境及其標準固件庫可方便的進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

　　MFRC522為NXP公司生產(chǎn)的一款支持ISO/IEC 14443A標準的讀寫(xiě)芯片，根據天線(xiàn)尺寸和調校效果讀寫(xiě)距離可達50mm，其多樣化的硬件接口可方便的與單片機或PLC進(jìn)行通訊，其QFN32的小型封裝，有利于集成到緊湊型產(chǎn)品之中。

　　Mifare S50非接觸式智能IC卡片擁有1Kb存儲空間，存儲于16個(gè)扇區內，每個(gè)扇區分為0-3塊，共64塊，每個(gè)數據塊包含16個(gè)字節。其操作頻率為13.56MHz，根據天線(xiàn)設計最高讀寫(xiě)距離為100mm，數據可存儲10年，寫(xiě)次數可達10萬(wàn)次。

1.2 原理圖設計

　　考慮到各芯片電源電壓與使用場(chǎng)景，設置系統的輸入電壓為5V直流，經(jīng)過(guò)L1117-3.3穩壓芯片輸出3.3V直流電壓供電，為保證直流電源波形噪聲小，可在5V輸入端和3.3V輸出端并聯(lián)2個(gè)100uf鉭電容進(jìn)行濾波。同樣的，可在每個(gè)電源管腳附近布一顆100nf電容用作退耦電容穩定輸入電源。主芯片JTAG接口加10k上拉電阻進(jìn)行連接，方便使用Ulink等調試器進(jìn)行在線(xiàn)調試及仿真。采用SI2301的MOS管芯片驅動(dòng)發(fā)光二極管與蜂鳴器。將主控芯片與MFRC522芯片按照SPI接口連接，并按要求，將MFRC522芯片1腳I2C引腳接地，將32腳EA引腳拉高以使其硬件運行于SPI模式下。

　　SPI串行外設接口作為單片機與外設進(jìn)行通信的一種高速、全雙工的總線(xiàn)模式，因其僅需SPI_SCK(SPI時(shí)鐘)、SPI_MISO(主輸入從輸出)的SPI_MOSI(主輸出從輸入)以及一根SPI_NSS(SPI片選)信號線(xiàn)即可完成主芯片與MFRC522的通訊接口。利于PCB布局布線(xiàn)，由于MFRC522與STM32均有SPI接口，并且SPI時(shí)序較為簡(jiǎn)潔易于調試，故在本設計中可以直接通過(guò)STM32F103的SPI總線(xiàn)讀寫(xiě)MFRC522芯片的寄存器來(lái)進(jìn)行芯片的設置與配置。SPI硬件接口如圖2所示。

1.3 天線(xiàn)設計

　　由于MFRC522與Mifare卡通信是利用電磁感應，在卡片與天線(xiàn)匹配時(shí)產(chǎn)生電荷進(jìn)行數據交換，故天線(xiàn)的設計顯得尤為重要，天線(xiàn)部分原理圖如圖3所示。

　　根據官方天線(xiàn)設計指導手冊可得：

　　分析可知優(yōu)化前的天線(xiàn)中點(diǎn)接地，其整體也為GND的一部分，故在天線(xiàn)繞制時(shí)相鄰的兩根線(xiàn)在生產(chǎn)的時(shí)候極易發(fā)生短路的情況，導致天線(xiàn)強度大大減小。為保證PCB在制板生產(chǎn)中的合格率，本設計采用雙線(xiàn)并繞的方式直接在板上繪制RC522的天線(xiàn)部分。PCB如圖5所示。

　　具體設計方法是在天線(xiàn)的匹配網(wǎng)絡(luò )中串入2個(gè)歐姆的電阻(R4與R10)，在PCB繪制時(shí)將天線(xiàn)兩端同時(shí)開(kāi)始走線(xiàn)，使得天線(xiàn)的相鄰兩根線(xiàn)在物理上隔離，這樣制板時(shí)機器可以檢測出相鄰的天線(xiàn)部分是否有短路情況。通過(guò)這種設計，可將產(chǎn)品的天線(xiàn)合格率由優(yōu)化之前的95%提高到近100%，大大降級了天線(xiàn)短路所帶來(lái)的卡片感應距離低，合格率低的問(wèn)題。

　　通過(guò)對MFRC522讀卡芯片天線(xiàn)部分的改進(jìn)與優(yōu)化，使得天線(xiàn)短路情況發(fā)生情況大大減少，產(chǎn)品良品率有較大提高，讀卡距離可達70mm，配合嵌入式軟件與上位機軟件，讀寫(xiě)Mifare IC卡片效率較高。

2 軟件設計與實(shí)現

　　通過(guò)STM32的SPI對MFRC522的內部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)，配置所需寄存器以達到設置芯片的目的來(lái)驅動(dòng)電線(xiàn)部分，通過(guò)芯片的RX、TX引腳發(fā)送和接收信號對Mifare卡片進(jìn)行數據傳輸，接收到的數據則存儲在RC522芯片內部FIFO中，stm32 讀取FIFO即可取出相應的數據。

　　STM32軟件內采用串口中斷方式查看是否有數據接收，主程序的while(1)死循環(huán)內輪詢(xún)查詢(xún)從串口接收的數據是否為上位機下發(fā)來(lái)的符合通訊協(xié)議的指令，并對數據進(jìn)行CRC校驗查看是否有數據遺失和錯誤。若收到上位機指令并數據完整正確，則執行相應的通訊協(xié)議中的Command，并返回執行狀態(tài)。具體軟件設計框圖如圖6所示。

2.1 系統初始化函數

　　利用STM32的標準庫函數可以快速對芯片的SPI進(jìn)行初始化，其中需要注意的是根據MFRC522的數據手冊中芯片的SPI時(shí)序圖，其CPOL極性為低電平，即時(shí)鐘空閑時(shí)候的電平是低電平，所以當SCLK有效的時(shí)候，就是高電平;相位CPHA為第一個(gè)邊沿，即在CPOL為0時(shí)，時(shí)鐘空閑時(shí)是低電平，第一個(gè)邊沿從低變到高，為上升沿。

　　在STM32的main函數中上電后主要完成相應的時(shí)鐘、GPIO以及SPI之后，通過(guò)讀寫(xiě)寄存器配置MFRC522芯片，完成設置芯片工作模式、天線(xiàn)增益、使能天線(xiàn)收發(fā)信號等操作，之后使能USB時(shí)鐘、配置USB相關(guān)GPIO管腳、USB接收中斷、初始化波特率等。

2.2 硬件與上位機通訊

　　當程序運行至while(1)循環(huán)時(shí)，循環(huán)檢查是串口是否收到數據，若收到則繼續檢查數據是否為上位機命令并進(jìn)行CRC校驗，解析出具體的命令號，即m_nProtocol，根據該值執行相關(guān)命令并返回執行結果，以檢查串口連接為例：

　　if(Received() != 0)

　　{

　　if(GetUsbReceived((u8 *)&m_NetComm,sizeof(m_NetComm)))

　　{

　　if(!VerifyCRC(&m_NetComm)) continue;

　　}

　　}

　　其中Received(void)函數判斷串口中斷是否有數據接收，GetUsbReceived(u8 *pdata, u32 num)函數用于接收數據到pdata指針中，實(shí)際中將這些數據放置于m_NetComm結構體中，通過(guò)比對結構體的m_Header成員中的m_nProtocol來(lái)啟動(dòng)相應的處理程序。

　　switch(m_NetComm.m_Header.m_nProtocol)

　　{

　　case CMD_FindDevice:

　　if(m_NetComm.m_Header.m_nOperation == 0) //請求

　　{

　　strcpy((char *)m_NetComm.myunion.m_FindDeviceAck.DeviceIdentify,"Greenpow Usb IC card reader");

　　m_NetComm.m_Header.m_nOperation = 1;

　　m_NetComm.m_Header.m_Err = ERR_OK;

　　SendPacket(&m_NetComm);

　　}

　　break;

　　}

　　當串口收到數據包時(shí)，通過(guò)判斷是FindDevice指令，執行if內部語(yǔ)句，通過(guò)USB虛擬串口SendPacket(NetComm_Struct *p_net)函數發(fā)送特定字符，通過(guò)上位機驗證即可連接成功。

　　軟件使用MFC底層CSerialCom類(lèi)中的OpenPort函數打開(kāi)指定串口，ConfigurePort函數配置串口，使用ClosePort函數關(guān)閉串口。與下位機的程序恰恰相反，上位機通過(guò)發(fā)送請求命令，接收應答信息來(lái)執行相關(guān)指令。通過(guò)發(fā)送NetComm_Struct結構體，根據串口收到的數據執行相應函數。按照協(xié)議，如果USB有回應則確認連接成功，可以進(jìn)行使用。在遵循操作Mifare卡的時(shí)序的基礎上，依次進(jìn)行防沖突、選卡、驗證和讀寫(xiě)的順序進(jìn)行卡片的操作。每次不同操作之后都在軟件的右下角EditBox控件內有提示信息，結合蜂鳴器以及LED燈可以方便的了解操作結果。

3 結論

　　論文以STM32F103C8T6為主控芯片，以 MFRC522為讀寫(xiě)卡芯片，采用SPI通訊方式與Mifare IC卡的通訊;通過(guò)對MFRC522讀卡芯片天線(xiàn)部分的改進(jìn)與優(yōu)化，使得天線(xiàn)短路情況大大減少，讀卡距離可達70mm，配合嵌入式軟件和上位機軟件，方便地實(shí)現了對Mifare IC卡的讀寫(xiě)，讀寫(xiě)效率較高。為非接觸式IC卡讀寫(xiě)器的設計提供了一種有效方案。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第31頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。